Transcript Hovudprosjektrapport - Høgskulen i Sogn og Fjordane

BECKHOFF KONTROLLSYSTEM FOR KRAFTVERK
Deltakarar:
Martin Book (11)
Kristine Gravdal (15)
Dennik Gnananantham (16)
Avdeling for ingeniør- og naturfag
HO2-300 Hovudprosjekt
http://prosjekt.hisf.no/~13driftstid/
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
1 - REFERANSESIDE
Boks 523, 6803 FØRDE. Tlf: 57 72 25 00, Faks: 57 72 25 01 www.hisf.no
TITTEL
Beckhoff - Kontrollsystem for
kraftverk
PROSJEKTTITTEL
HO2-300 Hovudprosjekt
FORFATTARAR
Martin Book
Kristine Gravdal
Dennik Gnananantham
RAPPORTNR.
DATO
03
23.05.2013
TILGJENGE
TAL SIDER
Open
43
ANSVARLEGE RETTLEIARAR
Joar Sande - prosjektansvarleg
Olav Sande - fagleg rettleiar
OPPDRAGSGJEVAR
Høgskulen i Sogn og Fjordane & Goodtech Projects & Services AS
SAMANDRAG
Målet med dette prosjektet var i hovudsak å undersøkje om kontrollsystemet til
Beckhoff hadde ytinga til å erstatte funksjonaliteten til synkronoskopet,
generatorbrytarvern og turbinregulator. Kontrollsystemet synkroniserer sinuskurvene
frå nett- og generatorspenninga. Dersom desse har ulik frekvens, fase eller
spenning, foretar kontrollsystemet turbin- og spenningsregulering til verdiane er
tilnærma like. Vi har teoretisk dokumentert at dette skal fungere, og vi har vidare
testa at dette fungerer i praksis.
SUMMARY
The main purpose of this project is to evaluate the feasibility of moving some of the
control system component functionality to the control system and solve this
functionality in software. The components are Generator Breaker Synchronisation,
Generator Protection and Prime Mover Speed Control. The control system
synchronizes sine curves from mains and generator side. If the curves have
differences in frequency, phase or voltage, the control system will regulate the
turbine until the values are approximately equivalent. We have theoretically proven
that this will work, and we have tested it.
EMNEORD
HO2-300 Hovudprosjekt, kontrollsystem for kraftverk, Beckhoff, synkronisering, vern,
turbinregulering
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 2 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
2- FØREORD
Dette prosjektet har blitt gjennomført som hovudprosjekt av tre avgangsstudentar frå
Høgskulen i Sogn og Fjordane, avdeling for ingeniør- og naturfag, våren 2013.
Prosjektet skal vere praktisk og/eller teoretisk, helst eit utviklings- eller
utgreiingsprosjekt for industrien/næringslivet[1]. Prosjektet vert normalt gjennomført i
grupper på 2 til 4 kandidatar, og timetalet per kandidat er estimert til 500.
Gjennomført prosjekt skal presenterast og det skal leverast ein skriftleg rapport. Det
skal også opprettast ei nettside som skal haldast oppdatert undervegs i
prosjektarbeidet.
(Link til nettsida: http://prosjekt.hisf.no/~13driftstid/)
Gruppa starta i januar 2013 på eit anna prosjekt. Av ulike grunnar bestemte
høgskulen, ved prosjektansvarleg og rettleiar, at vi måtte avslutte dette prosjektet for
å nå dei milepælane som er satt i prosjektperioden. Det nye prosjektet vi fekk tildelt
er eit forsknings- og utviklingsprosjekt, og går i korte trekk ut på å undersøkje om det
er mogeleg å implementere funksjonaliteten til ulike komponentar i kraftanlegg
direkte i PLS (programmerbar logisk styring).
Prosjektgruppa har bestått av:
Kristine Gravdal
Martin Book
Dennik Gnananantham
Prosjektleiar
Student
Student
I dette prosjektet har Joar Sande fungert som prosjektansvarleg. Ansvarleg rettleiar
har vore Olav Sande, fagsjef hos Goodtech Projects & Services AS. I tillegg vil vi
gjerne rette ein takk til fleire personar vi har fått hjelp av gjennom arbeidet med
prosjektet:
Frank Dubielzyk, Fagskulen i Førde
Geir Grødal, BECKHOFF Automation AS
Synnøve Søreide, Jardøla Kraft
Henning Sørebø, Sogn og Fjordane Energi
Førde 23.05.2013
___________________
Kristine Gravdal
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
___________________
Martin Book
____________________
Dennik Gnananantham
Side 3 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
3 - INNHALDSLISTE
1 - Referanseside ..............................................................................................
2
2 - Føreord ........................................................................................................
3
3 - Innhaldsliste .................................................................................................
4
4 - Samandrag ..................................................................................................
6
5 - Innleiing .......................................................................................................
5.1 Problemstilling ................................................................................
5.2 Mål .................................................................................................
5.2.1 Hovudmål .......................................................................
5.2.2 Delmål ............................................................................
7
7
7
7
7
6 - Kraftverk .....................................................................................................
6.1 Generelt .........................................................................................
6.2 Synkronisering ...............................................................................
6.2.1 Spenning ........................................................................
6.2.2 Frekvens ........................................................................
6.2.3 Fase ...............................................................................
6.3 Brytarvern ......................................................................................
6.4 Turbinregulator ...............................................................................
8
8
10
12
12
13
15
15
7 - Beckhoff .......................................................................................................
7.1 Komponentar/terminalar ................................................................
7.1.1 CX2030 - Basic CPU module .........................................
7.1.2 Power supply (CX2100-0004) ........................................
7.1.3 Power monitoring oversampling terminal (EL3773) .......
7.1.4 Enkel digital utgang (EL2004) ........................................
7.1.5 Kompleks digital utgang (EL2252) .................................
7.2 Beckhoff VS DEIF ..........................................................................
7.2.1 Tidsbruk Beckhoff ..........................................................
7.2.2 Tidsbruk DEIF ................................................................
16
16
16
17
18
19
20
21
21
21
8 - Programmering ...........................................................................................
8.1 TwinCAT ........................................................................................
8.2 Strukturert tekst ..............................................................................
8.3 Inngangar/utgangar ........................................................................
8.4 Programstruktur .............................................................................
22
22
22
23
23
9 - Testing av kontrollsystemet .........................................................................
9.1 Fysisk modell .................................................................................
9.2 Testing ...........................................................................................
9.3 Utfordringar ....................................................................................
27
27
29
32
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 4 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
10 - Konklusjon .................................................................................................
33
11 - Forbetringar ...............................................................................................
34
12 - HMS ...........................................................................................................
12.1 Risikoanalyse ...............................................................................
35
35
13 - Prosjektadministrasjon ...............................................................................
13.1 Organisering ................................................................................
13.2 Gjennomføring i forhold til plan ....................................................
13.3 Økonomi .......................................................................................
13.4 Generell prosjektevaluering .........................................................
13.5 Nettside ........................................................................................
36
36
37
38
38
39
14 - Figur- og tabelliste .....................................................................................
40
15 - Referanseliste ............................................................................................
41
16 - Vedleggsliste .............................................................................................
43
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 5 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
4 - SAMANDRAG
Dette prosjektet har blitt gjennomført som hovudprosjekt av tre avgangsstudentar frå
Høgskulen i Sogn og Fjordane, avdeling for ingeniør- og naturfag, våren 2013.
Prosjektet vart gjennomført i samarbeid med Goodtech Projects & Services AS.
Tidlegare i år introduserte Beckhoff Automation AS nokre nye terminalar i deira
standard PLS som burde gjere det mogeleg å implementere funksjonaliteten til ulike
komponentar i kraftanlegg direkte i PLS. Målet med dette prosjektet var å undersøkje
om utstyret til Beckhoff hadde ytinga til å erstatte funksjonaliteten til synkronoskopet,
generatorbrytarvern og turbinregulator.
Før spenninga som blir produsert på eit kraftverk kan koplast til bustader og industri,
må den synkroniserast med den spenninga som allereie er på forsyningsnettet. Dette
må gjerast for å ikkje øydeleggje generator og turbin eller lage forstyrringar på nettet.
Når generatorspenninga skal synkroniserast opp mot nettspenninga må spenninga
vere den same, frekvensen må vere lik og fasane må ha same rekkjefølgje.
Torsdag 21. februar 2013 reiste gruppa til Sandane i Gloppen kommune for å få ei
omvisning på Jardøla kraft. I dette kraftverket hadde dei brukt ein PLS frå
leverandøren DEIF, og det hadde synkroniseringa, turbinregulator og vernfunksjonar
implementert i PLSen. Då vi studerte datablada til PLSen frå DEIF og den frå
Beckhoff, kom vi fram til at kontrollsystemet til Beckhoff er om lag tusen gongar så
hurtig som DEIF sitt. Dersom informasjonen i datablada stemmer, skal utstyret frå
Beckhoff, teoretisk sett, ha ytinga til å kunne implementere komponentane direkte i
PLS med god tidsmargin.
For å fastslå om kontrollsystemet fra Beckhoff hadde ytinga, måtte vi sjølvsagt teste
det i praksis. Vi har programmert eit program som synkroniserer sinuskurvene frå
nett- og generatorspenninga. Dersom desse har ulik frekvens, fase eller spenning,
foretar kontrollsystemet turbin- og spenningsregulering til verdiane er tilnærma like.
Det var sjølvsagt ikkje mogeleg for oss å teste programmet i eit verkeleg kraftverk.
Derfor har vi valt å demonstrere prosessen ved hjelp av lys. Eit lys som indikerer at
turtalet må aukast, eit som indikerer at turtalet må reduserast og eit som indikerer om
generatorbrytaren kan leggjast inn eller ikkje. Då vi testa modellen, kopla vi også opp
tre lamper manuelt, ved hjelp av ein metode kalla roterande innfasing. Dette for å sjå
om tilbakemeldingane frå PLSen frå Beckhoff var riktige.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 6 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
5 - INNLEIING
Denne rapporten er ein hovudprosjektrapport i faget HO2-300 Hovudprosjekt ved
Høgskulen i Sogn og Fjordane, avd. Førde våren 2013. Hovudprosjektet gjev 20
studiepoeng og går over siste semester ved ingeniørutdanninga.
5.1 Problemstilling
Hovudprosjektet vart gjennomført i samarbeid med Goodtech Project & Services AS.
Bakgrunnen for prosjektet var at dei har eit ønskje om å teste ut Beckhoff Automation
AS sitt kontrollsystem for kraftverk. Beckhoff Automation AS har introdusert nokre
nye terminalar i deira standard PLS, som burde gjere det mogeleg å implementere
funksjonaliteten til ulike komponentar i kraftanlegg direkte i PLS. I vårt tilfelle er
komponentane synkronoskopet, brytarvern og turbinregulatoren. Prosjektet går i
hovudsak ut på å undersøkje både teoretisk og praktisk om utstyret frå Beckhoff har
ytinga til å erstatte desse komponentane ved å leggje alt inn i PLS.
5.2 Mål
5.2.1 Hovudmål
Studere/teste/dokumentere om det er mogeleg å implementere
synkroniseringsfunksjon for generatorbrytar, brytarvernfunksjon og turbinregulator i
Beckhoff sitt kontrollsystem for kraftverk.
5.2.2 Delmål
Vi sette opp følgjande delmål:










Setje oss inn i korleis eit minikraftverk fungerer
Informasjonssøk om kor hurtige dei ulike termianlane er
Setje oss inn i programvaren til Beckhoff (TwinCAT3)
Lage framdriftsplan
Finne løysingar for å implementere komponentane direkte i PLS
Lage program
Teste utstyret
Opprette webside til prosjektet
Prosjektrapport
Lage plakat og presentasjon
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 7 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
6 - KRAFTVERK
6.1 Generelt
Eit kraftverk si oppgåve er å omforme ein form for energi til elektrisk energi. Dette
kan gjerast ved å bruke energien i til dømes vatn, vind, sol, kull, gass eller liknande.
Noreg er eit land som er godt eigna for kraftproduksjon ved hjelp av vasskraft. Høg
fjellstruktur og mange dalar gjer det mogeleg å demne opp vassmagasin. Når vatnet
renn ned bratte fjellsider i røyrgater, opparbeidar det seg ein bevegelsesenergi. I
enden av røyrgata er røyret ført inn på ein turbin. I det vatnet treff skovlene på
turbinen, fører energien i vassmengda til at turbinen byrjar å rotere. Turbinen er så
vidare kopla på ein aksling, som vil rotere så sant turbinen roterer. Den andre enden
av akslingen er så kopla inn på ein generator og det er generatoren som gjer jobben
med å omdanne mekanisk energi til elektrisk energi. Dette gjer den ved at den er
oppbygd av magnetar med nord- og sørpolar, som står tett inntil viklingar av leiande
material. Når akslingen gjer at viklingane startar å rotere, vil dette medføre
forandringar på magnetfeltet inne i generatoren[2]. Dette er eit fenomen som på
fagspråket går under namnet elektromagnetisk induksjon[3]. Når desse endringane i
magnetfeltet oppstår, vil det resultere i elektrisk spenning. Denne spenninga blir så
leia ut frå generatoren ved hjelp av tre kraftlinjer.
Eit kraftverk kan i korte trekk beskrivast som vist i figuren under. Figuren viser kun
ein turbin og ein generator. Eit kraftverk i full skala ville sjølvsagt innehalde meir enn
ein turbin[4].
NETT
Vatn inn
Generatorbrytar
Turbin
Generator
Transformator
Vatn ut
Figur 6.1: Turbin og generator i kraftverk
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 8 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Det er kontrollsystemet som avgjør om farten på turbinen skal aukast eller
reduserast, om brytaren mellom generator og nett skal opnast eller lukkast osv. For å
styre eit slikt kraftverk trengst det komponentar og instrumentering som gir
tilbakemelding til kontrollsystemet. Ein grov oversikt over komponentane som er
nødvendige kan sjåast i figuren under.
Figur 6.2: Turbin og generator med kontrollkomponentar i kraftanlegg.
Som nemnt tidlegare er hovudformålet med dette forsknings- og utviklingsprosjektet
å vurdere moglegheita for å implementere funksjonaliteten til ulike komponentar i
kraftanlegg direkte i PLC. Dette er illustrert i figuren under.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 9 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
CX2030
CPU
Synkronoskop
Turbinregulator
Brytarvern
Figur 6.3: Komponentar implementert i PLS.
6.2 Synkronisering
Før elektrisiteten kan fordelast til bustader og industri må generatorspenninga
synkroniserast med spenninga på nettet. Kontrollsystemet målar spenning og
frekvens på begge sider av generatorbrytaren. Turbinen vert regulert til målingane
stemmer overeins, og kommando vert sendt til brytaren. Sjå figur 6.4 og 6.5 under.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 10 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Figur 6.4: Instrumentering for synkronisering
Figur 6.5: Prosedyre for synkronisering[4].
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 11 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Synkronisering må gjerast for å ikkje øydeleggje generator og turbin eller lage
forstyrringar på nettet. Når generatorspenninga skal synkroniserast opp mot
nettspenninga er det tre kriterier som må oppfyllast[5]:
1. Spenninga må vere den same
2. Frekvensen må vere lik
3. Fasane må ha same rekkjefølgje
6.2.1 Spenning
For det første må spenninga frå generatoren stemme overeins med spenninga frå
nettet. Den kan ha ein avvik på 0-5%[5]. Det er spenningsregulatoren som
stabiliserer spenninga ut frå generator slik at denne blir jamn og stabil sjølv om
belastninga på nettet varierer[6]. Å implementere spenningsreguleringa i PLC ville
vore for avansert for vårt kunnskapsnivå og oppgåva ville vorte for stor, då ein må ta
omsyn til magnetiseringsstraumen i rotor og magnetfelt. Derfor ser vi bort ifrå
spenningsreguleringa i dette prosjektet, og antar at spenninga vil vere lik heile tida.
6.2.2 Frekvens
Det andre kriteriet som må oppfyllast er at frekvensen må vere den same. Frekvens
er eit omgrep for kor ofte eit periodisk fenomen gjentar seg per tidseining, som til
dømes kor mange gongar ei spenning vekslar i løpet av eit sekund[8]. Eininga for
frekvens er hertz, Hz, som er lik ein svinging per sekund. Frekvensen på
nettspenninga vil vere 50 Hz, det vil då seie at den svingar 50 gongar i sekundet.
Kurva ein får frå spenninga på nettet er illustrert på figur 6.6. Når generatoren
produserer elektrisitet vil frekvensen til spenninga vere eit resultat av turtalet som
turbinen går med[2]. Dersom frekvensen er for lav må ein justere opp turtalet til
turbinen. Er frekvensen for høg må ein redusere turtalet til turbinen.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 12 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Figur 6.6: Kurve for spenninga på nettet, frekvens lik 50Hz.
6.2.3 Fase
Det tredje kriteriet for at vi skal få synkronisering er at fasane stemmer overeins.
Sjølv om frekvensen til spenninga er lik, er det ikkje sikkert fasen er den same. Sjå
figur 6.7.
Figur 6.7: Spenning frå nett og generator, same frekvens, men ulik fase.
Spenninga kan også vere i motfase, det vil seie at den er 180 grader faseforskyvd.
Dersom ein då legg inn generatorbrytaren, kan ein få store øydeleggingar på
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 13 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
generator. Figur 6.8 viser spenningane frå nett og generator med lik frekvens, men i
motfase.
Figur 6.8: Spenningar frå nett og generator med lik frekvens, men i motfase.
Ved framstilling av elektrisk energi i stor skala vert det vanlegvis brukt
trefasegeneratorar, og straumen vert overført over trefase leidningsnett. Ein fleirfasa
vekselspenning er samansett av fleire sinusforma spenningar med same frekvens,
men ulik fase og vert overført over meir enn to leidningar[9]. I Noreg og mange andre
land vert det brukt trefase vekselstrøm med frekvens lik 50 Hz i det offentlege
strømfordelingsnettet[10]. Dette måtte vi ta omsyn til når vi skulle teste utstyret
praktisk. For at vi skal få synkronisering der det er brukt trefase vekselspenning er
det også viktig at dei har same faserekkjefølgje, L1-L2-L3 (sjå figur 6.9).
Figur 6.9: Spenning med tre fasar.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 14 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
6.3 Brytarvern
I eit kraftverk kan ulike feilsituasjonar oppstå, og for å unngå slike situasjonar må ein
ha det vi kallar vern. Vanlege feil som kan oppstå er kortslutning og overbelastning,
og vern mot desse førekomstane er veldig viktig. Dersom ein ikkje har vern kan slike
situasjonar gjere stor skade på generator, og i verste fall personskade. Ein annan
situasjon som kan oppstå er at ein «mista» nettspenninga. Om då ikkje turbinen blir
stoppa umiddelbart, rusar den, og sannsynligheten er då stor for at turbinen vil få
skade. Derfor er det viktig at vernfunksjonane slår ut generatorbrytaren hurtig ved
feilsituasjonar[22]. Dersom kraftverket er lite, og det er overliggandes nett, kan det
føre til lav eller høg frekvens for dei som er tilkopla i nærleiken. Dette kan føre til
øydelagde elektriske komponentar i husstandane.
6.4 Turbinregulering
Vasskraft vert ofte kalla framtidas energisystem. Dette fordi kapasiteten er stor og,
energilagrings- og reguleringseigenskapane er så gode. Elektrisitet kan ikkje lagrast i
større mengder, men i batteri kan mindre mengder lagrast[23]. Derimot kan energien
i vatnet lagrast i naturlige eller kunstige basseng, slik at ein har det tilgjengelig når
det trengs. For å ikkje "sløse" med vatnet, blir berre den mengda som trengs for bruk
til energiproduksjon i kraftstasjonane sleppt ut. Turbinregulatoren har blant anna
dette som si oppgåve[24].
Turbinregulatoren har også som oppgåve å halde frekvensen/omdreiingstalet
konstant, uavhengig av belastninga på generatoren. Til større belastninga på
generatoren blir, di lågare blir turtalet. Dette blir registrert og det vert gitt signal til
turbinregulatoren. Turbinregulatoren sørgjer då for at det blir opna for meir vatn
gjennom turbinen, slik at turtalet vil auke til ønska verdi[25].
I byrjinga var turbinregulatoren ein rein mekanisk anordning, og seinare vart den
mekanisk-hydraulisk. Medan måten den blir styrt på i dag er elektronisk-hydraulisk,
slik vårt system gjer det. Målingane blir gjort elektrisk, som gir ein kommando som
fører til at luker/dyser blir opna/lukka hydraulisk[25].
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 15 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
7 - BECKHOFF
I dette delkapittelet vil ein få informasjon om dei ulike komponentane/terminalane
som var nødvendige for å gjennomføre dette prosjektet.
Beckhoff blei danna i 1980, og var tidleg ute innan automatiseringsteknikk. Dei har eit
verdsomspennande nettverk av dotterselskap og distributørar. Hovudkontoret til
Beckhoff Automation AS ligg i Verl i Tyskland. På verdsbasis har Beckhoff 2200
tilsette. Dei har 30 dotterselskap og 60 distributørar på verdsbasis.
Beckhoff Automation AS i Noreg har kontor i Tønsberg. Dei driv med sal, support og
service av Beckhoff sine produkt[26].
7.1 Komponentar/terminalar
7.1.1 CX2030 - Basic CPU module
Figur 7.1: CX2030 - Basic CPU module[11].
CX 2030 er ein av Beckhoff sine nye CPU/prosessorar. Ein prosessor kan ein sjå på
som sjølve "hjernen" i PLSen[12]. CX2030 har ein "1,5 GHz Intel ® Core ™ i7 dualcore" prosessor. Dual-core vi seie at den har to prosessorkjerner. CPUen er viftelaus
og har derfor ingen roterande delar, som er ein fordel med tanke på slitasje. Den har
fire USB 2.0-grensesnitt, to uavhengige Gbit Ethernet grensesnitt og DVI-I tilkopling.
CPU modulen har eit hovudminne på 2GB RAM og eit CFast Flash minnekort[11].
Ved hjelp av EtherCAT-standaren (Ethernet for contol automation technology) og
programmeringsverktøyet TwinCAT, kan CX2030 presse tidsbruk på raske
kontrollprosessar ned i mikrosekundområdet. Denne teknologien vert kalla "XFC eXtreme Fast Control Technology", og XFC gjer det mogeleg med I/O responstid <
100µs[13].
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 16 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
7.1.2 Power supply (CX 2100-0004)
Figur 7.2: Straumforsyning,CX2100-0004[14].
CX 2100-0004 er straumforsyninga til terminalane i systemet. Denne vert sett inn
mellom det elektriske utstyret vi vil beskytte, og den eksterne straumforsyninga
(24V). Dette er for å forsyne terminalane med straum, men også med tanke på eit
eventuelt straumbrot. I tillegg er det for å få jamn og god kvalitet på straumen til
følsame terminalar og utgangar. CX 2100-0004 har eit LCD-display og
navigeringstastar. Ein kan styre straumforsyningsmodulen anten ved hjelp av desse
tastane eller via TwinCAT(for meir info om TwinCAT sjå kap. 8.1). Denne CX 21000004 straumforsyninga gir ut ein maksimaleffekt på 45W, og ein koplar dei ulike
terminalane på høgre sida av straumforsyninga[14].
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 17 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
7.1.3 Power monitoring oversampling terminal (EL3773)
Figur 7.3: EL3773 Power monitoring oversampling terminal[15].
EL3773 terminalen er laga for å overvake 3-fase AC spenningssystem. Terminalen
kan sample spenning opp til 500 V AC 3~ (ULX-N: max 288 V AC), og straum opp til
1A AC. Dersom ein vel likespenning og likestrøm er grensene på 410V DC og 1,5A.
Terminalen samplar på alle inngangane samtidig og konverteringstida er min. 100 µs.
Terminalen tar x antal samplingar (t.d. 100), deretter triggast programmet i CPU for å
behandle målingane. I tillegg støttar terminalen distribuert klokke, noko som gjer at
ein kan måle synkront med andre EtherCAT-einingar. Den kan også operere utan
distribuerte klokker. I dette prosjektet vil vi nytte to slike terminalar. Ein for å
sample/måle spenninga som kjem frå generator, og ein for å sample/måle spenninga
som er på nettet. Sjå datablad i vedlegg 8 for ytterlegare informasjon.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 18 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
7.1.4 Enkel digital utgang (EL2004)
Figur 7.4: Enkel digital utgang (EL2004) [17].
EL 2004 er ein enkel digital utgangsterminal som blir styrt av CPU modulen. Denne
terminalen er utstyrt med fire utgangar som kvar gir ut ei spenning på 24V, med ein
straum på opp til 0,5A. Terminalen er utstyrt med lysdiodar som indikerer at
terminalen har tilført 24V driftsspenning. Den har også lysdiodar som indikerer når
kvar enkel utgang er aktivert. Terminalen har ei switchtid på 60 µs (Off -On) og 300
µs (On-Off). Terminalen har ein isolasjonsklasse som er godkjent for 500V[17]. Sjå
datablad i vedlegg 6 for ytterlegare informasjon.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 19 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
7.1.5 Kompleks digital utgang (EL2252)
Figur 7.5: Kompleks digital utgang (EL2252)[18].
EL2252 er ein to- kanals digital utgangsterminal med tidsstempel, og er berekna for
fire leiarar. Denne terminalen er berekna for 24 V DC (+/- 15%) matespenning, og gir
ut ein straum på 0.5 A per kanal. Det overførte tidsstempelet som blir gitt, har ei
oppløysning på 1 nanosekund og blir presist synkronisert med utgangane som vert
kopla[18]. Dette vil seie at ein har mogelegheit til å spesifisere koplingstidene til
utgangane nøyaktig i systemet. I samanheng med digitale inngangsterminalar, kan
ein bruke distribuerte klokker som referanse mellom desse og EL2252 terminalen.
Tida brytarane i terminalen brukar til switche on-off eller off-on, er < 1µs[19]. Sjå
datablad i vedlegg 7 for ytterlegare informasjon.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 20 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
7.2 Beckhoff VS DEIF
7.2.1Tidsbruk Beckhoff
Skal vi undersøkje om kontrollsystemet til Beckhoff har ytinga til å utføre denne
oppgåva, er det vesentleg å sjå på tida det brukar på å prosessere data. Vi har sett
på EL3773 terminalen, digital utgang (EL2004) og kor lang tid CPU (CX2030) brukar
på å køyre gjennom programmet laga i TwinCAT.
Tabell 1: Total tidsbruk, Beckhoff
Terminal/komponent
Tid
EL3773 Power monitoring oversampling terminal
min. 100 µs
CX2030 & Program programmert i TwinCAT
ca. 80 µs
EL2004 - Enkel digital utgang
300 µs
TOTAL TIDSBRUK
480 µs
(Total tidsbruk: Tida systemet brukar frå ein samplar til utgangsterminalen har
switcha fra ON til OFF)
Vi nytta ein enkel digital utgang, men dersom ein ønskjer enda mindre
prosesseringstid kan ein nytte den meir komplekse utgangsterminalen (EL2252). Då
kan ein redusere tida på 300 µs som EL2004 brukar, ned til < 1µs[19]. Det er tida
EL2252 brukar på å switche.
7.2.2 Tidsbruk DEIF
Torsdag 21. februar 2013 reiste gruppa til Sandane i Gloppen kommune for å få ei
omvisning på Jardøla kraft. Jardøla kraft er eit middels stort kraftverk, sett i verk i
2008, med to turbinar som til saman produserer i snitt 23 GWh årleg. Henning
Sørebø frå Sogn og Fjordane Energi og Synnøve Søreide, ein av medeigarane, gav
oss ei god innføring i kraftverket si verkemåte. I dette kraftverket hadde dei brukt ein
PLS frå leverandøren DEIF, og det hadde synkroniseringa, turbinregulator og
vernfunksjonar implementert i PLSen. Spenningsregulatoren var ein ekstern
komponent. PLSen på Jardøla Kraft var av typen "DEIF multi-line 2-versjon
24189340265B". Dette er ein PLS som er skreddarsydd for kraftbransjen og dei
oppgåver som medfølgjer.
Ved å ha studert databladet til denne komponenten har vi funne ut at dei raskaste
utgangane på PLS'en som dei kallar "GOV & AVR" opererer med eit tidsinterval på
minimum 10ms. Dette er utgangar som er berekna på å bruke til beskyttelse for det
dei kallar "Fast overcurrent". Heile prosessen, frå setpunktet er nådd og til utganagen
vert aktivert og forsinkinga sett til 0, går det 100-300ms[20].
Samanliknar vi tidene vi kom fram til, ser vi at Beckhoff sitt kontrollsystem er om lag
tusen gongar så hurtig som DEIF sitt. Dersom informasjonen i datablada stemmer,
skal utstyret frå Beckhoff, teoretisk sett, ha ytinga til å kunne implementere
komponentane direkte i PLS med god tidsmargin.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 21 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
8 - PROGRAMMERING
8.1 TwinCAT
TwinCAT PLC er sjølve programmeringsverktøyet
som omformar den standard CX2030 CPU-en, om
til ein kraftig og solid PLS-styring. TwinCAT PLC er
bygd på den internasjonale standaren IEC 61131-3
3. utgåve. Når ein skal programmere i TwinCAT, er
desse programmeringsspråka tilgjengelege[21]:





Ladder diagram (LD)
Strukturert tekst (ST)
Funksjonsblokker (FB)
Instruction list programmering(IL)
Sekvensiell funksjon diagram (SFC)
Figur 8.1: Tc 1200 TwinCAT[21].
Programmeringsverktøyet støtter syklustid ned til 50 µs, og har ei typisk koplingstid
på 1 µs for 1000- kommandoar[21]. Når vi i vårt prosjekt brukte CX 2030 CPUen
med programmeringsverktøyet TC3 PLC, brukte programmet 80 µs på å gå igjennom
heile programmet. TwinCAT tillet modifikasjonar i programmet til ei kvar tid,
uavhengig av størrelse og om PLSen køyrer eller ikkje.
8.2 Strukturert tekst
Vi har programmert programmet i strukturert tekst som er eit tekstbasert språk.
Strukturert tekst er ein grunnleggjande teknikk som er mykje brukt i moderne
programutvikling.
Figur 8.2: Utdrag av program
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 22 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
8.3 Inngangar/utgangar
EL3773
EL3773 terminalen leser verdiar med ein oppløysing på 16 bit. Terminalen kan
sample så fort som 100 verdiar per 100 µs. Verdiane blir sampla på ein skala frå
-32767 til 32767 (sjå tabell nedanfor).
Tabell 2: Format av data.
Desimal
32767
16383
0
-16383
-32767
Hexadesimal
0 x 7FFF
0 x 3FFF
0 x 0000
0 x C001
0 x 8000
Volt (DC)
410 V
205 V
0V
-205 V
410 V
Digital utgang (EL2004)
Den digitale utgangen angir to tilstander, 0 og 1 (av og på). Når tilstanden er 1, gir
utgangen ut ei spenning på 24V og ein straum på 0,5A.
8.4 Programstruktur
Før ein skal programmere, er det viktig å planleggje kva ein vil programmet skal gjere
og når det skal gjere det. Vi sette opp ein programstruktur før vi byrja å programmere
(sjå under).
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 23 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Synkronisering
Figur 8.3: Programstruktur - synkronisering.
Vi får inn måleverdiar frå begge sider av generatorbrytaren, og verdiane vil danne
sinuskurver. Til saman vil vi få inn seks sinuskurver, ein for kvar fase. I blokka som
heiter synkronisering vil desse kurvene bli samanlikna og ut i frå denne vil
programmet gi kommando til anten turbinen eller brytaren. Etter ønskje frå
oppdragsgivar vil vi ikkje nemne noko om korleis vi løyste synkroniseringsfunksjonen
i PLS.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 24 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Turbinregulering
TURBIN
Kommando til turbin
Måleverdiar generator
SYNC
Måleverdiar nett
+
Turbinregulering
-
Figur 8.4 Programstruktur - turbinregulering
Når det gjeld regulering av turtalet på turbinen, kom vi fram til at det var behov for to
ulike regulerings nivå. Vi såg for oss behovet for grov justering i dei tilfeller der det
var stor skilnad mellom dei målte sinuskurvene ut ifrå generator, i forhold til dei målte
sinuskurvene frå nettet. Her vil ein til dømes auke turtalet på turbinen med 5% kvar
gang ein køyrer igjennom programmet. Når ulikheita på sinuskurvene etter kvart
begynner å minke, vil vi så ha eit behov for muligheita til fin justering. Her vil ein til
dømes auke turtalet på turbinen med 1 % kvar gang ein køyrer igjennom
programmet. Dette på grunn av at vi ikkje vil risikere at vi auka turtalet for mykje, slik
at vi regulerer oss ut av fokus.
Figur 8.5: Signal ved fin- og grovjustering av turtal.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 25 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Sjølv om vårt program sjølvsagt er mykje mindre enn eit som ville vore i eit verkeleg
kraftverk, er systemet frå Beckhoff så hurtig at det nok også ville handtert eit mykje
meir omfattande program.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 26 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
9 - TESTING AV KONTROLLSYSTEMET
9.1 Fysisk modell
For å undersøkje om utstyret frå Beckhoff hadde ytinga til å utføre denne oppgåva,
måtte vi sjølvsagt teste det. Vi monterte opp utstyret i ei testramme. Modellen består
av (sjå figur 8.5):
1.
2.
3.
4.
5.
To straumforsyningar.
Ein dobbel brytar
3 stk Lys (24V)
1 CPU utstyrt med ulike I/O terminalar.
2 stk Voltmeter (utstyr til å måle spenning)
1
3
5
2
4
Figur 9.1: Den oppkopla modellen.
Dei to straumforsyningane brukte vi til å transformere ned spenning frå 230V (som vi
tok ut av ei vanleg stikkontakt), til ei spenning på 24 V som utstyret vårt trengte for å
fungere. Vi monterte også to voltmeter, som vi brukte til å overvake om
straumforsyningane gav ut riktig spenning. Lysa vart brukt til å demonstrere dei ulike
situasjonane. CPUen utstyrt med I/O utgangar, er sjølve "hjernen" til systemet, og det
er i denne einheita programmet som vi programmerte vart lasta inn. Den doble
brytaren brukte vi på ein slik måte at brytar 1 (til venstre) aktiverer/gir startsignal til
synkroniseringsdelen i programmet vårt. Brytar 2 (til høgre) brukte vi for å illustrere
sjølve generatorbrytaren i eit kraftverk.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 27 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Vi har programmert eit program som skal synkronisere/"fase inn" den elektriske
spenninga som generatoren i kraftverket produserer, slik at den stemmer overeins
med den elektriske spenninga som ligg på forsyningsnettet. Dersom desse ikkje
stemmer overeins, må programmet gi ei tilbakemelding som fortel om systemet skal
auke eller redusere turtalet på turbinen, for å få dei elektriske spennings kurvene til å
stemme overens. PLSen vår vil sende ut tre digitale signal, som kvar har sin
betyding.
Signal 1 - vil bety at turtalet på turbinen må aukast.
Signal 2 - vil bety at turtalet på turbinen må reduserast.
Signal 3 - vil angi om kraftbrytaren kan leggast inn eller ikkje. (Altså om
synkronisering er oppnådd.)
Det er sjølvsagt ikkje mogeleg for oss å teste programmet i eit verkeleg kraftverk.
Derfor har vi valt å demonstrere prosessen ved hjelp av lys. Dersom turtalet på
turbinen må aukast, vil utgang 1 på den digitale utgangen (EL2004) sende ut eit 24V
signal. Resultatet av dette er at lyset merka med ei oransje pil som peikar oppover,
vil starte å lyse. Finn programmet ut at turtalet på turbinen må reduserast, vil den
digitale utgang 2 sende ut eit 24V signal, som fører til at lyset som er merka med ei
oransje pil som peikar nedover, vil lyse. Det siste store oransje lyset har vi brukt til å
indikere om generatorbrytaren kan leggast inn eller ikkje. Dette ved at når systemet
finn ut at spenningskurvene (generator og nett) stemmer overeins, vil digital utgang
nr. 3 sende ut eit 24V signal, som fører til at det store oransje lyset lyser ei gitt tid.
Programmet er oppbygd slik at desse situasjonane ikkje kan inntreffe samtidig. Dette
vil med andre ord seie at det er berre ein utgang som er aktivert omgangen, og berre
ei lampe som lyser omgangen.
Figur 9.2: CPU med I/O terminalar.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 28 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
9.2 Testing
Først testa vi modellen med einfasespenning på høgskulen. Vidare fekk vi tilgang til
utstyr på Fagskulen i Førde. Der hadde dei 3 fase vekselspenning, motor og ein
generator tilgjengelig. Dette var det nærmaste vi kunne komme prosessen i eit ekte
kraftverk. Her hadde vi også mogelegheit til å kople tre nye lamper til systemet, slik
ein gjør innfasing manuelt. Dette kopla vi opp slik som er vist på figur 9.3.
Figur 9.3: Koplingsskjema - roterande innfasing
Her brukte vi koplingsmetoden som vert kalla "roterande innfasing". Lampene koplar
vi slik at lampe nr 1 koplast mellom R og R', lampe nr 2 mellom T og S', og lampe nr
3 mellom S og T'. Fasane på nettsida på figuren merkast med R, S og T, og fasane
på generator sida merkast med R', S' og T'. Her vil lampene lyse/ blinke etter kvart
som sinuskurvene flyt på generatorsida og nettet. Når sinuskurvene frå generatoren
stemmer overens med dei på nettet, vil lampe nr 1 ikkje lyse samtidig som lampe nr 2
og nr 3 lyser like sterkt. Grunnen til vi kopla opp denne metoden i tillegg til modellen
vår, var at vi då kunne kontrollere at tilbakemeldingane vi fekk frå modellen stemte
overeins med det som skjedde i verkelegheita. Ved å gjere det slik, kunne vi også
dokumentere/bevise at modellen virka som den skulle.
Vi starta motoren på eit lavt turtal. Motoren vil i dette tilfelle symbolisere vasshjulet,
og vil ha lik funksjon som eit vasshjul i eit ekte vasskraftverk. Motoren roterer ein
akse som går inn på generatoren, som fører til at generatoren produserer elektrisk
energi. Vi aktiverte brytar nr.1 slik at modellen kunne starte å synkronisere. Lyset
med ei pil som peikar oppover på modellen vår, blinka med lange lyssignal. Dette
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 29 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
indikerer at spenningskurvene frå generator og nett ikkje stemmer overens, og at vi
må auke turtalet på turbinen (motoren i dette tilfellet). Dei lange blinkande lyssignala
fortel oss at spenningskurvene er svært ulike. Vi auka så sakte turtalet på motoren.
Etter kvart byrja lyset med pila som peikar oppover å blinke med kjappare
tidsintervall. Dette indikerer at spenningskurvene frå generator og nett endå ikkje
stemmer overens, men at ulikheita mellom spenningskurvene er lita. Vi må altså
finjustere turtalet på motoren endå litt høgare, så vi auka turtalet på motoren sakte.
Figur 9.4: Pil opp indikerer at turtalet må aukast.
Lyset med pil som peikar oppover stoppar å blinke, og lys nr 3 byrja å lyse. Dette
betyr at spenningskurvene frå generatoren stemmer overeins med dei som ligg på
nettet. Dette stemte også med lysene frå den manuelle metoden (roterande
innfasing). Kurvene er med andre ord synkronisert og vi kunne no aktivere brytar
nr.2, som illustrerer at vi legg inn generatorbrytaren. I ein slik situasjon i eit ekte
vasskraftverk, kan ein produsere elektrisk energi og starte å overføre det til
forsyningsnettet.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 30 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Figur 9.5: Indikerer at ein kan leggje inn generatorbrytar.
Vi slo så ut att effektbrytaren, køyrde turtalet på motoren endå høgare. Vi slo av
brytar 1 og aktiverte den igjen, slik at modellen kunne starte å synkronisere. Dette
gjorde vi for å teste modellen vår ytterlegare. Ved lange lysblink reduserte vi turtalet
relativt hurtig, ved korte blink reduserte vi sakte inntil lys 3 byrjar og lyse. Det
indikerer at vi kan leggje inn generatorbrytaren.
Figur 9.6: Pil ned indikerer at turtalet må reduserast.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 31 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
9.3 Utfordringar
I starten av prosjektet var kontrollsystem for kraftverk og kraftverk generelt, noko vi i
prosjektgruppa hadde lite kunnskap om. Derfor gjekk det mykje tid med til å setje seg
inn i nytt stoff.
Dei nye terminalane til Beckhoff som vi skulle bruke, var så nye på marknaden at det
vart ikkje lett å få tak i god info om dei ulike terminalane. Dette omhandla spesielt
terminalen EL2252 og programmeringsverktøyet TC3 PLC. Sidan ein del av
prosjektet gjekk ut på å dokumentere at Beckhoff sine komponentar hadde den
kvalitet og hurtigheit som gjorde at det kunne brukast til å erstatte komponentar i
kraftanlegg, var vi avhengig av å få tak utdjupande datablad. Vi fekk god hjelp frå
Beckhoff i Noreg, og vi fekk tilgang til den informasjonen vi trong. Etter mykje
undersøking i diverse datablad, fant vi ut at det var ein anna terminal som passa
betre til vårt prosjekt. Dette var terminalen EL2004 og den hadde fleire utgangar enn
EL2252 terminalen. EL2004 terminalen var noko tregare enn EL2252 terminalen,
men var likevel innafor µs området. Den var derfor hurtig nok til at vi kunne bruke den
på den fysiske modellen vår.
Høgskulen hadde ikkje tilgjengeleg alt utstyr vi trong til den fysiske modellen vår.
Derfor fekk vi tilgang til diverse utsyrt på Fagskulen i Førde og Bravida sponsa oss
med diverse materiell.
Den eine fasen på nettet til fagskulen var litt låg. Då vi testa på høgskulen hadde 10V
avvik, som er 4% på 230V. Fagskulen hadde 6-7% avvik, så vi sette 10% avvik på
spenning for å få det til.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 32 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
10 - KONKLUSJON
Målet med dette prosjektet var i hovudsak å undersøkje om kontrollsystemet til
Beckhoff hadde ytinga til å erstatte funksjonaliteten til synkronoskopet,
generatorbrytarvern og turbinregulator. Etter å ha undersøkt dette og testa i praksis,
kom i fram til at kontrollsystemet til Beckhoff har ytinga som skal til.
Minikraftverket Jardøla Kraft hadde allereie desse eksterne komponentane
implementert i ein PLS av merket DEIF. Då vi studerte datablad og liknande til denne
PLSen, fann vi ut at utstyret frå Beckhoff er om lag tusen gongar raskare enn DEIF.
PLSen dei hadde på Jardøla Kraft opererte med ein hastigheit i millisekundområdet,
medan PLSen til Beckhoff opererer i mikrosekundområdet. Ut i frå dette skal utstyret
frå Beckhoff, teoretisk sett ha ytinga til å kunne implementere komponentane i PLS
med god tidsmargin.
For å fastslå om kontrollsystemet fra Beckhoff hadde ytinga, måtte vi sjølvsagt teste
det i praksis. Vi har programmert eit program som synkroniserer sinuskurvene frå
nett- og generatorspenninga. Dersom desse har ulik frekvens, fase og spenning,
foretar kontrollsystemet turbin- og spenningsregulering til verdiane er tilnærma like.
Det var sjølvsagt ikkje mogeleg for oss å teste programmet i eit verkeleg kraftverk.
Derfor har vi valt å demonstrere prosessen ved hjelp av lys. Eit lys som indikerer at
turtalet må aukast, eit som indikerer at turtalet må reduserast og eit som indikerer om
generatorbrytaren kan leggjast inn eller ikkje. Då vi testa modellen vår på Fagskulen i
Førde, kopla vi også opp tre lamper manuelt, ved hjelp av ein metode kalla roterande
innfasing. Dette for å sjå om tilbakemeldingane frå PLSen frå Beckhoff var riktige.
Vi testa modellen vår og alt fungerte som det skulle. Med bakgrunn frå studien og
testane vi har gjort, kan vi då konkludere med at kontrollsystemet til Beckhoff har
ytinga som skal til.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 33 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
11 - FORBETRINGAR
Krava til elektriske kraftsystem blir berre strengare og strengare. Om eit kraftverk får
eit avbrot eller driftstans kan det skape store økonomiske konsekvensar, i tillegg til
dårleg rykte. For at eit kraftverk skal kunne fungere driftssikkert og stabilt er
vernsystem viktige. Det finns mange ulike vern som er viktige både i og utanfor
kraftverket. Til dømes: differensialvern, generatorvern, distansevern,
distribusjonsvern og overspenningsvern. For å avgrense oppgåva vår har vi valt og
sjå vekk frå desse. Andre ting vi burde tatt omsyn til i programmet er fasefølgjefeil,
fasespenningsdifferanse, dysestyring, dødbus på nett, spenningsregulering og
symmetri på spenninga. Den funksjonsblokka vi har laga til turbinregulering, kan med
enkle grep gjerast om og brukast til spenningsregulering.
For å få fram viktigheita med vern, vil vi nemne litt om eit svært viktig vern. Dette
vernet kallast differensialvern. Dette er eit hurtig vern som koplar ut feil momentant
innanfor sitt dekningsområde. Blir brukt på transformatorar, generatorar, kabelnett og
korte overføringslinjer[28].
Differensialvernet i vårt tilfelle ville virka slik at enn måler forskjellen mellom
straumane på primær og sekundærsida, og summen av straumane i alle tre fasane.
Viss summen av straumane i tre fasen ikkje er lik 0, eller straumen i ein fase ikkje er
lik på kvar side, har vernet detektert ein feil. Ein isolasjonsfeil, jordfeil eller
kortslutning er då tilfelle, og då blir generatorbrytaren momentant slått ut[28].
Fordelen med Beckhoff sitt system er at implementering av ulike vernfunksjonar kan
gjerast forholdsvis enkelt. Til dømes ved implementering av differensialvern, gjer
EL3773 terminalane til at ein får direkte ut dei ulike verdiane på dei ulike fasane. Slik
at ein kan samanlikne verdiane direkte.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 34 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
12 - HMS
Vi har hatt fokus på sikkerhet gjennom heile prosjektet. Sidan vi har arbeidd med
spenning på 230V, er det kun Martin som har kopla. Han har fagbrev som elektrikar.
12.1 Risikoanalyse
Kommunikasjon
Gruppa arbeider mykje på skulen og har tett kontakt via telefon og sosiale medier.
Dette opnar for god kommunikasjon mellom gruppemedlemma. Gruppa har valt å
bruke Dropbox som også gjer det mogeleg for medlemma å jobbe sjølvstendig.
Rapport/dokumentasjon
Her er det ein risiko i form av datatap som følgje av til dømes harddiskkrasj. Derfor
har vi valt å bruke Dropbox for å unngå tap av viktige dokument. Dropbox er eit
filarkiv som visast på datamaskina, men som også ligger på Internett. På denne
måten eliminerer vi denne risikoen. Her er det viktig at gruppemedlemma har god
rutine i å lagre dokumenta i Dropbox.
Sjukdom
Sjukdom innad i gruppa kan vere ein risiko, men sidan vi alle har god tilgang på
kommunikasjonsmidler ser vi på risikoen som liten.
Ukjent teknologi
Som ingeniørstudentar utan mykje arbeidserfaring er vi forberedt på å setje oss inn i
nye ting.
Arbeidskonflikt
Arbeidskonflikt i gruppa kan oppstå. No kjenner gruppemedlemma kvarandre så godt
at dersom vi står ovanfor ein utfordring, løyser vi problemet på eit rettferdig og
demokratisk måte.
Problem
Dersom vi står fast, kan vi nytte oss av rettleiarar.
Leveranseproblem
Leveranseforsinkingar kan førekomme, men dette vil ikkje påverke gruppa i stor grad
Overarbeid
Planlegging og jamn arbeidsfordeling er viktig for å unngå overarbeid.
For lite tid
Prosjektet er omfattande og emnet er ganske nytt for alle i gruppa, derfor er god
planlegging og å arbeide jamt gjennom heile prosjektperioden viktig for å komme i
mål.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 35 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
13 - PROSJEKTADMINISTRASJON
13.1 Organisering
OPPDRAGSGJEVAR
STYRINGSGRUPPE
PROSJEKTGRUPPE
Høgskulen i Sogn og Fjordane
&
Goodtech Projects & Services AS
Joar Sande - HiSF (Prosjektansvarleg)
Olav Sande - Goodtech Projects &
Services AS (Rettleiar)
Kristine Gravdal (Prosjektleiar)
Martin Book
Dennik Gnananantham
Figur 13.1: Organisasjonskart
Prosjektgruppa
Prosjektgruppa har bestått av tre avgangsstudentar ved Høgskulen i Sogn og
Fjordane, som har gjennomført eit avsluttande prosjekt våren 2013. Kvar av
medlemma har hatt ansvar for kvart sitt område.
Kristine Gravdal har vore prosjektleiar og har hatt som hovudoppgåve å fordele
oppgåver og følgje opp framdrifta i prosjektgruppa. Prosjektleiar har også hatt
ansvaret for prosjektperm og prosjektdagbok, for å setje opp planar, dele opp
prosjekttida i passe lange periodar og kalle inn til møte. Dennik Gnananantham har
hatt hovudansvaret for å designe nettsida og halde den oppdatert. Martin Book har
hatt hovudansvaret for programmeringa.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 36 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Kontaktinformasjon:
Kristine Gravdal
Martin Book
Dennik Gnananantham
E-post:
Telefon:
[email protected]
[email protected]
[email protected]
920 10 751
478 05 126
450 06 422
Styringsgruppa
Styringsgruppa er øverst ansvarlege for prosjektet og skal ivareta dei overordna
oppgåvene med å sjå til at formål og måla til prosjektet vert nådd[27]. Styringsgruppa
består av Joar Sande, prosjektansvarleg ved HiSF, og rettleiar Olav Sande, fagsjef
hos Goodtech Projects & Services AS. Olav Sande er også kontaktperson frå
oppdragsgjevar.
Kontaktinformasjon:
Joar Sande
Olav Sande
E-post:
Telefon:
[email protected]
[email protected]
57 72 26 29/414 40 591
55 40 67 50/408 26 444
13.2 Gjennomføring i forhold til plan
Framdriftsplan
I forprosjektet vart det sett opp ein framdriftsplan, sjå vedlegg 2. Framdriftsplanen
vart oppdatert undervegs i prosjektperioden, men vi hadde ingen store avvik.
Ganttskjema for det utførte prosjektarbeidet vart då det same som det planlagde.
Timelister vart også ført, dei kan sjåast i vedlegg 3.
Milepælar
Høgskulen sette opp milepælar alle måtte følgje. Sidan vår gruppe starta på eit nytt
prosjekt 11. februar 2013, vart våre milepælar forskyvd ei tid.
Tabell 3: Milepælar i prosjektet
18.02.2013
06.03.2013
03.04.2013
23.05.2013
27.05.2013
05.06.2013
Innlevering av prosjektbeskrivelse
Innlevering av forprosjekt
Midtvegspresentasjon
Innlevering av sluttrapport
Presentasjon m/plakat
Nettsida ferdigstilt
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 37 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
Møter
I forprosjektet vart det sett opp sju planlagde styringsmøter med 14. dagars
mellomrom. Kun to av desse møta vart gjennomførte fordi det ikkje var behov for
fleire. Statusrapportar, møteinnkalling og referat kan lesast i vedlegg 4. Vi sette også
opp faste gruppemøter kvar onsdag, men som oftast valte gruppa å møtast fleire
gongar i veka. Statusmøter for gruppa vår vart:
1. Mandag
2. Onsdag
11.02.2013
13.03.2013
kl. 12.00
kl. 12.00
13.3 Økonomi
Under finn du ein oversikt over kva dei ulike delane kosta.
Tabell 4: Økonomi
Artikkel
CX2030 - Basic CPU module
CX2100-0004 - Power supply unit
EL3773 - Power monitoring oversampling terminal (2.stk)
EL4122 - Analog output
EL2252 - Kompleks digital output
EL2004 - Enkel digital inngang
EL1252 - Digital input
EL9011 - Bus end cap
TOTAL
Pris
10762,5
1398,6
1690,8
892,2
480
480
480
17,4
16201,5
13.4 Generell prosjektevaluering
Etter å ha gjennomført fleire prosjekt i løpet av den treårige ingeniørutdanninga, er
prosjektarbeid ei arbeidsform gruppa har fått god kontroll på. Gruppa har arbeidd
saman på alle prosjekta, noko som gjer at vi kjenner kvarandre godt. På den måten
kan ein fokusere på dei sterke sidene til kvar enkelt, slik at vi kan arbeide bra og
effektivt.
Som nemnt tidlegare starta gruppa i januar 2013 på eit anna prosjekt, men av ulike
grunnar måtte vi avbryte dette. Dette er sjølvsagt ikkje optimalt med tanke på
gjennomføringa av prosjektet, men vi meiner vi løyste det bra i forhold til dei
utfordringane vi stod ovanfor. Dette nye prosjektet vart starta 11. februar 2013.
Ingen av medlemma i gruppa hadde tidlegare erfaring frå kraftverk. Derfor gjekk det
mykje tid i å setje seg inn i nytt stoff. I ettertid ser vi at vi kunne vert endå flinkare til å
fordele oppgåver.
Skriving av sluttrapport har gått fortløpande gjennom heile prosjektperioden og vi har
nådd dei måla vi sette opp. Om vi ser tilbake på utført prosjekt, ser vi igjen at god
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 38 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
planlegging er viktig for å komme i mål med prosjektet. Eit gantt skjema er eit godt
hjelpemiddel for å gjere prosjektet oversiktleg og lettare å gjennomføre.
13.5 Nettside
Gjennom hovudprosjektet er det eit krav at alle gruppene lagar ei nettside knytta til
prosjektet og held den oppdatert gjennom perioden. Her ligg det informasjon om
prosjektet og kontaktinformasjon til gruppemedlemma. For å lage og designe nettsida
har vi brukt WordPress. WordPress er eit publiseringsverktøy som både er gratis og
lett å bruke.
(Link til nettsida: http://prosjekt.hisf.no/~13driftstid/ )
Figur 13.2: Framsida på nettsida.
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 39 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
14 - FIGUR- OG TABELLISTE
Figur 6.1
Figur 6.2
Figur 6.3
Figur 6.4
Figur 6.5
Figur 6.6
Figur 6.7
Figur 6.8
Figur 6.9
Turbin og generator i kraftverk ................................................................
Turbin og generator med kontrollkomponentar i kraftanlegg ..................
Komponentar implementert i PLS ...........................................................
Instrumentering for synkronisering ..........................................................
Prosedyre for synkronisering ..................................................................
Kurve for spenninga på nettet, frekvens lik 50Hz .................................
Spenning frå nett og generator, same frekvens, men ulik fase ...............
Spenningar frå nett og generator med lik frekvens, men i motfase .........
Spenning med tre fasar ...........................................................................
8
9
10
11
11
13
13
14
14
Figur 7.1
Figur 7.2
Figur 7.3
Figur 7.4
Figur 7.5
CX2030 - Basic CPU module ..................................................................
Straumforsyning, CX2100-0004 ..............................................................
EL3773 Power monitoring oversampling terminal ...................................
Enkel digital utgang (EL2004) .................................................................
Kompleks digital utgang (EL2252) ..........................................................
16
17
18
19
20
Figur 8.1
Figur 8.2
Figur 8.3
Figur 8.4
Figur 8.5
TC 1200, TwinCAT ..................................................................................
Utdrag frå program ..................................................................................
Programstruktur - synkronisering ............................................................
Programstruktur - turbinregulator ............................................................
Signal ved fin- og grovjustering ...............................................................
22
22
24
25
25
Figur 9.1
Figur 9.2
Figur 9.3
Figur 9.4
Figur 9.5
Figur 9.6
Den oppkopla modellen ..........................................................................
CPU med I/O terminalar ..........................................................................
Koplingsskjema - roterande innfasing .....................................................
Pil opp indikerer at turtalet må aukast ....................................................
Indikerer at ein kan leggje inn generatorbrytar .......................................
Pil ned indikerer at turtalet må reduserast ..............................................
27
28
29
30
31
31
Figur 13.1
Figur 13.2
Organisasjonskart ................................................................................... 36
Framsida på nettsida ............................................................................... 39
Tabell 1
Tabell 2
Tabell 3
Tabell 4
Totalt tidsbruk, Beckhoff ..........................................................................
Format av data ........................................................................................
Milepælar .................................................................................................
Økonomi ..................................................................................................
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 40 av 43
21
23
37
38
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
15 - REFERANSELISTE
[1] Nummedal, Eli (19.02.12) HO2-300 Bacheloroppgåve
http://studiehandbok.hisf.no/no/content/view/full/10510 (sist nedlasta 08.05.2013)
[2] Produksjon av elektrisk kraft.
http://vvi.no/interactive/index.php?module=ContentExpress&func=display&ceid=209
(sist nedlasta 21.04.2013)
[3] Generator. http://no.wikipedia.org/wiki/Generator (sist nedlasta 21.04.2013)
[4] Sande, Olav (2013) Beckhoff Power Station Control System.
[5] Thompson, Michael J.(2010) Fundamentals and Advancements in generator
Sychronizing Systems. Schweitzer Engineering Laboratories.
[6] Rosvold, Knut A. (25.10.09) Spenningsregulator http://snl.no/spenningsregulator
(sist nedlasta 08.05.2013)
[7]
http://vvi.no/interactive/index.php?module=ContentExpress&func=display&ceid=282
[8] Store norske leksikon (2009) frekvens - teknikk, fysikk.
http://snl.no/frekvens/teknikk,_fysikk (sist nedlasta 08.05.2013)
[9] Sandstad, Jakob. Fase - fysikk. http://snl.no/fase/fysikk (sist nedlasta 08.05.2013)
[10] Sandstad, Jakob. Vekselstrøm. http://snl.no/vekselstr%C3%B8m (sist nedlasta
08.05.2013)
[11] Beckhoff. CX2030 Basic CPU module. http://www.beckhoff.no/CX2030/ (sist
nedlasta
05.05.2013)
[12] Blaker, Magnus (15.06.2004) Grunnleggende begrepsguide.
http://www.hardware.no/artikler/grunnleggende_begrepsguide/3025/2 (sist nedlasta
05.05.2013)
[13] Beckhoff. XFC|eXtreme Fast Control Technology.
http://www.beckhoff.com/english.asp?highlights/xfc/default.htm (sist nedlasta
05.05.2013)
[14] Beckhoff. CX2100-0xxx | Power supply units and UPS modules for CX2000.
http://www.beckhoff.no/CX2100-0004/ (sist nedlasta 05.05.2013)
[15] Beckhoff. EL3773 | Power monitoring oversampling terminal.
http://www.beckhoff.no/El3773/ (sist nedlasta 11.05.2013)
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 41 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
[16] Beckhoff sin hovudkatalog "Main Catalog 2013" s.384 under avsnitt "Analog
input - Power measurement
[17] Beckhoff. EL2004 | |4-channel digital output terminal 24 V DC, 0.5 A
http://www.beckhoff.com/english.asp?ethercat/el2004.htm (sist nedlasta 11.05.2013)
[18] Beckhoff. EL2252 | 2-channel digital output terminal with time stamp, tri-state.
http://www.beckhoff.no/el2252/ (sist nedlasta 11.05.2013)
[19] Beckhoff sin hovudkatalog "Main Catalog 2013" s 351. Under komponenten EL
2252.
[20] DEIF AS. multi-line 2 - version 2 (avsnitt 10.1, "General data").
http://www.scribd.com/doc/50264606/deif-operating-manual (sist nedlasta
20.05.2013)
[21] Beckhoff. TC1200 | TC3 PLC. http://www.beckhoff.no/TC1200/ (sist nedlasta
20.05.2013)
[22] Borgen, Carl Erik og Lian, Torkel. Elektriske vern i vannkraftverk
http://www.hekta.org/~hpe1015/index-filer/fagartikkel.pdf (sist nedlasta 20.05.2013)
[23] Åril, Bjørn (2011). Regulering og utfordringer. http://tm-info.no/getfile.php/tminfo.no/Presentasjoner/TM12052011/04_Bjorn%20Aril%20Rainpower.pdf (sist
nedlasta 20.05.2013)
[24] Øgaard, Eirik og Haugen, Stein. Magasin.
http://www.vasskrafta.no/regulering/magasin-article133-157.html (sist nedlasta
20.05.2013)
[25] Rosvold, Knut A. (2010) Turbinregulator. http://snl.no/turbinregulator (sist
nedlasta 20.05.2013)
[26] Beckhoff. Beckhoff Norge.
http://www.beckhoff.no/no/default.htm?beckhoff/default.htm (sist nedlasta
20.05.2013)
[27] Åmo, Trond. Prosjekt som arbeidsform. (PowerPoint-presentasjon frå
http://www.fnf-nett.no/nordland/)
[28] Rosvold, Knut A. (2011) Differensialvern.
http://snl.no/.versions/list/differensialvern (sist nedlasta 20.05.2013)
[29] Strukturert programmering.
http://no.wikipedia.org/wiki/Strukturert_programmering (sist nedlasta 22.05.2013)
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 42 av 43
HO2-300 Hovudprosjekt
Beckhoff - Kontrollsystem for kraftverk
16 - VEDLEGGSLISTE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Forprosjektrapport
Framdriftsplan
Timelister
Møteinnkalling, referat og statusrapport
Datablad Beckhoff (EL2004)
Datablad Beckhoff (EL2252)
Datablad Beckhoff (EL3773)
Koplingsskjema - PLS
Plakat
Utskriftsdato: 22.05.2013
Hovudprosjekt V2013
Side 43 av 43